Reactivación de carbón activado granular

Reactivación de carbón activado

Reactivación de carbón activado

El proceso de adsorción consiste en un sólido que atrapa en sus paredes cierta molécula de un fluido (líquido o gas). Al sólido se le llama adsorbente, al proceso, adsorción, y a la molécula atrapada, adsorbato.

El carbón activado es un adsorbente covalente. Como tal, adsorbe moléculas con tendencia covalente, que es el caso de la mayoría de las orgánicas.  Se diferencia de otros tipos de carbón,  porque es más poroso y porque está formado por placas grafíticas en las que los átomos de carbono están unidos entre sí de una manera ordenada. Este orden los hace menos reactivos (o más estables) que los átomos que forman carbones amorfos.

El proceso de adsorción en el que participa el carbón activado se debe a uno de los tipos de fuerzas de Van der Waals, llamadas fuerzas de dispersión de London, que ocurren entre un adsorbente covalente y un adsorbato, también covalente. Esta clase de adsorción se llama adsorción física.

La adsorción física no provoca una modificación en la estructura química de los átomos y de las moléculas que intervienen en ella. Por lo tanto, es reversible.

Si el adsorbato retenido es volátil, una elevación suficiente de la temperatura provoca que se desprenda del carbón activado. Dicha temperatura depende de la volatilidad del adsorbato. Tanto este como el carbón quedan en su estado original, y  al procedimiento se le llama reactivación.

Si el adsorbato no es volátil, al elevar la temperatura hasta cierto nivel (normalmente superior a 300°C), sufre pirólisis. Es decir, pierde los átomos de hidrógeno y oxígeno y se transforma en carbón amorfo.

Si se sigue aumentando la temperatura, el carbón amorfo resultante reacciona con los gases del horno, y se convierte en dióxido de carbono. Al gasificarse, deja libre el área superficial de las placas grafíticas. De esta manera, también ocurre una reactivación.

Como se mencionó en párrafos anteriores, las placas grafíticas constitutivas del carbón activado son menos reactivas que el carbón amorfo, por lo que no se gasifican siempre y cuando la temperatura y el tiempo que dure el proceso de reactivación no aumente más de lo debido.

Cuando han precipitado compuestos inorgánicos en un carbón activado, no pueden eliminarse mediante el aumento de la temperatura. Sin embargo, es posible eliminarlos mediante otros métodos. Uno de ellos es por disolución en una solución ácida.

Más adelante se describen distintos métodos de reactivación. Son posibles, no solo gracias a la estabilidad de sus placas grafíticas, sino también a que el carbón activado no se ve afectado por soluciones acuosas en todo el rango de pH.

Aunque pueden reactivarse tanto carbones activados granulares (CAG) como en polvo (CAP), hasta ahora, en muy pocos casos ha sido rentable la reactivación de los últimos, por la dificultad en el manejo de los polvos, que suelen ser menores a la malla 200.

La rentabilidad en el proceso de reactivación de CAG depende de la resistencia mecánica de sus gránulos. Mientras más baja es, aumenta el porcentaje de pérdida de material por rompimiento.

Cabe mencionar que a un carbón activado que se retira del proceso en el que se utilizó, se le denomina “carbón agotado”.

Tipos de reactivación de carbón activado

Reactivación térmica.

Es el método de reactivación más utilizado. Se lleva a cabo en hornos iguales a los que se utilizan para activar térmicamente un carbón. Los hornos más comunes son los rotatorios y los de múltiples etapas de calentamiento directo (mediante la introducción de gases de combustión). Normalmente, la reactivación se lleva a cabo a temperaturas de entre 500 y 800°C. Se limita la capacidad oxidante de la atmósfera en el interior del horno mediante vapor de agua. Los compuestos volátiles se desprenden del CAG y los no volátiles pirolizan y gasifican.

Reactivación con vapor de agua

Este proceso se lleva a cabo en el mismo equipo en el que se aplica el CAG. Consiste en hacer circular vapor de agua a través de la cama de carbón, normalmente en dirección descendente, para que los condensados no se acumulen. El vapor ocasiona que las moléculas orgánicas volátiles se desprendan del carbón.

Este método reactivación se aplica en recuperación de solventes contenidos en corrientes de aire. El CAG se somete a ciclos alternativos de adsorción-desorción. En el primero, se retiene el solvente hasta que el carbón se satura. En el segundo, se desorbe el solvente, y la mezcla de este y del vapor de agua se separa por decantación o por  destilación, dependiendo de si son miscibles o no.

Mientras mayor sea la presión del vapor utilizado para reactivar al CAG, mayor será su temperatura, y por lo tanto será capaz de desorber compuestos menos volátiles.

Reactivación con gases calientes

Es igual que la anterior, pero no se utiliza vapor de agua sino algún otro gas. En el caso de algunos estudios científicos a nivel laboratorio, en los que se requiere reactivar sin la interferencia de algún gas oxidante, la desorción se lleva a cabo mediante un gas inerte que se calienta de manera indirecta. Este gas puede ser nitrógeno. Cuando se busca reactivar a una menor temperatura para evitar afectar al adsorbato, la reactivación puede llevarse a cabo a vacío.

Reactivación con ácido.

Las sales inorgánicas que precipitan en el CAG no se eliminan mediante una reactivación térmica. No obstante, pueden eliminarse por disolución en una solución ácida.

Un caso común es la precipitación de cal que se aplica para suavizar agua antes de pasar por el CAG. Otro es la precipitación de carbonatos y otras sales presentes en aguas con tendencia incrustante. Cuando la precipitación de sales es alta, el carbón toma un color grisáceo o blanquecino al secarse (este color no se nota si el carbón se encuentra húmedo).

Este tipo de reactivación se lleva a cabo con ácido clorhídrico, ya que es el ácido fuerte con mayor capacidad para disolver compuestos inorgánicos. Se prepara la solución de alrededor de 5% en peso, y el carbón se inunda en esta. El proceso de disolución de las sales de calcio es lento. El tiempo varía dependiendo de qué tan incrustado se encuentra el carbón, pero puede tardar algunas horas. Para lograr mayor rapidez en el proceso, se calienta la solución a 60 – 70ºC.

Una reactivación adecuada devuelve al carbón su color negro original.

Reactivación mediante la modificación del pH en solución acuosa

Cuando la capacidad de retención de un adsorbato específico depende del valor del pH, puede aprovecharse esta condición para desorberlo. Por ejemplo, la adsorción de fenol es muy dependiente del pH de la solución en la que se encuentra. Al aumentar el pH, disminuye a tal grado su adsorción, que puede provocarse la desorción del mismo. Un carbón saturado con este compuesto se puede reactivar mediante una solución de sosa al 4% .

También pueden eliminarse compuestos inorgánicos que han precipitado en carbón activado, inundando el carbón en una solución con el pH que produzca la disolución de estos.

La reactivación de carbón activado mediante modificación del pH en solución acuosa tiene muy pocas aplicaciones.

Reactivación biológica

La reactivación biológica del CAG sucede de manera natural en el tratamiento de aguas con un contenido relativamente alto de compuestos orgánicos biodegradables. Tal es el caso, por ejemplo, del tratamiento terciario de aguas residuales.

Las bacterias que se desarrollan en la superficie del carbón se alimentan de la materia biodegradable adsorbida y la convierten en dióxido de carbono y en nuevas bacterias. Estas últimas se eliminan al retrolavar el CAG. Cuando el carbón activado opera así, se denomina carbón biológico.

Un CAG también puede reactivarse biológicamente cuando se ha retirado del proceso de adsorción en el que se aplicó, aunque este proceso es poco frecuente.

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